計算機(jī)圖形學(xué)概述

第1章計算機(jī)圖形學(xué)概述內(nèi)容提要計算機(jī)圖形學(xué)的基本概念計算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展計算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用計算機(jī)圖形的發(fā)展趨勢1．1計算機(jī)圖形學(xué)的基本概念1.計算機(jī)圖形學(xué)的定義：計算機(jī)圖形學(xué)（ComputerGraphics，簡稱CG）是利用計算機(jī)處理圖形信息的一門學(xué)科，包括圖形信息的表示、輸入輸出與顯示、圖形的幾何變換、圖形之間的運算以及人機(jī)交互繪圖等方面的技術(shù)。計算機(jī)圖形學(xué)既是一門科學(xué)，它包括一些數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和理論，又是一門技術(shù)，包括一些技巧和方法。掌握計算機(jī)圖形學(xué)的理論和技術(shù)，有助于編寫界面更為優(yōu)美的應(yīng)用程序，設(shè)計出逼真的圖形或圖案。2.計算機(jī)圖形學(xué)的研究領(lǐng)域和目標(biāo)計算機(jī)圖形學(xué)的研究領(lǐng)域包括以下幾個方面：

(1)圖形系統(tǒng)的硬件設(shè)備，如圖形處理器、圖形輸入輸出設(shè)備，特別是圖形顯示和打印設(shè)備；

(2)基本圖元的生成技術(shù)，如直線、園狐、曲線和曲面等；

(3)圖形變換技術(shù)，包括二維幾何變換、三維幾何變換和投影變換等；

(4)人機(jī)交互繪圖技術(shù)，如窗口技術(shù)、橡皮筋技術(shù)等；

(5)圖形運算和處理技術(shù)，如圖形的裁剪、填充等；(6)實體造型技術(shù)和真實圖形的表示，如消隱技術(shù)、色彩技術(shù)等3.學(xué)習(xí)計算機(jī)圖形學(xué)的目標(biāo)根據(jù)用戶和計算機(jī)圖形系統(tǒng)的關(guān)系，可以把利用計算機(jī)圖形學(xué)的用戶分為三組：一是圖形系統(tǒng)的設(shè)計者，二是應(yīng)用程序員，三是圖形系統(tǒng)的操作員圖形理論的研究與軟件包的實現(xiàn)者，如GKS、Core設(shè)計專業(yè)圖形應(yīng)用軟件者，如Photoshop、AutoCAD產(chǎn)品設(shè)計者利用專業(yè)圖形軟件設(shè)計各種產(chǎn)品理論研究與系統(tǒng)實現(xiàn)者圖形設(shè)計程序員產(chǎn)品設(shè)計人員

計算機(jī)圖形學(xué)的目標(biāo)在于培養(yǎng)前兩種人才，即理論研究與系統(tǒng)實現(xiàn)者和圖形設(shè)計程序員，研究圖形學(xué)新的理論和技術(shù)，編寫各種專業(yè)圖形處理軟件，供產(chǎn)品設(shè)計人員使用。4.圖形與圖像

圖形（Graphics）和圖像（Image）

圖形考慮的是幾何信息及其拓?fù)潢P(guān)系，如圖形的頂點坐標(biāo)，圖形各邊、面之間的連接關(guān)系以及各種屬性信息等。圖形系統(tǒng)的基本單位是圖元，任何復(fù)雜的圖形都是由簡單的圖元組成的。圖形文件保存的是各個圖元的幾何信息和屬性，當(dāng)打開圖形文件時，圖形系統(tǒng)再實時地生成圖形。圖像一般是通過攝像機(jī)、數(shù)碼相機(jī)或掃描儀等設(shè)備輸入的圖片，圖像處理的基本單位是像素（Pixel），通過每個像素的顏色的變化從而顯示出一幅美麗的圖案。

計算機(jī)圖形學(xué)是以圖形為研究對象，從圖形的幾何信息和拓?fù)潢P(guān)系來研究圖形的生成、顯示、修改和存儲，以及圖形之間的運算和處理技術(shù)。4.圖形與圖像之間的關(guān)系

程序和數(shù)據(jù)交互設(shè)備攝像或掃描圖像顯示或輸出圖形圖像圖形處理圖像處理圖像轉(zhuǎn)換圖形識別1．2計算機(jī)圖形學(xué)的起源與發(fā)展1950年，第一臺圖形顯示器作為美國麻省理工學(xué)院(MIT)旋風(fēng)I號（WhirlwindI）計算機(jī)的附件誕生1958年美國Calcomp公司發(fā)明了滾筒式繪圖儀，GerBer公司研制出了平板式繪圖儀1962年，MIT林肯實驗室的I.E.薩瑟蘭德(I.E.Sutherland)發(fā)表了一篇題為“Sketchpad:一個人-機(jī)通信的圖形系統(tǒng)”的博士論文，首次使用了計算機(jī)圖形學(xué)（ComputerGraphics）這個術(shù)語

60年代中期，美國的MIT、通用汽車公司、貝爾實驗室和洛克希德等眾多的公司紛紛開展了計算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用和研究70年代是計算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)進(jìn)入實用化階段，美國蘋果公司的Macintosh、IBM公司的PC，Apollo、SUN公司的工作站都配備了圖形系統(tǒng)；在80年代，配備有光柵圖形顯示器的個人計算機(jī)和工作站已相當(dāng)普及，不僅在工業(yè)、管理、藝術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮巨大的作用，而且圖形系統(tǒng)已進(jìn)入了家庭，如計算機(jī)家庭教育和游戲；90年代至今，計算機(jī)圖形學(xué)朝著標(biāo)準(zhǔn)化、集成化和智能化的方向發(fā)展。豐富多彩的Web網(wǎng)頁更加激勵了計算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用，科學(xué)計算的可視化、虛擬現(xiàn)實技術(shù)等新興課題又向計算機(jī)圖形學(xué)提出了更新更高的要求計算機(jī)圖形學(xué)軟件的發(fā)展計算機(jī)圖形軟件系統(tǒng)概括起來主要有以下三種：（1）用現(xiàn)有的某種計算機(jī)語言寫成的圖形子程序包，如GKS，PHIGS，GL等；（2）擴(kuò)充某一種計算機(jī)語言，使其具有圖形生成和處理功能；（3）專用的圖形系統(tǒng)。對于某種類型的設(shè)備，可以配備專用的圖形生成語言，如HP-PLOT圖形語言。計算機(jī)圖形學(xué)在我國的發(fā)展

我國開展計算機(jī)圖形設(shè)備和計算機(jī)輔助設(shè)計方面的研究始于60年代中后期。進(jìn)入80年代以來，計算機(jī)圖形學(xué)無論是在理論研究，還是在實際應(yīng)用的深度和廣度方面，都取得了令人可喜的成果。（1）在圖形設(shè)備方面，我國陸續(xù)研制出各種型號的繪圖機(jī)、坐標(biāo)數(shù)字化儀、圖形顯示器和圖形工作站，并已批量生產(chǎn)投入市場。（2）計算機(jī)圖形系統(tǒng)的軟件開發(fā)能力日益增強(qiáng)，應(yīng)用范圍日益廣泛和深入。其中二維交互式繪圖軟件已進(jìn)入商品階段，三維幾何造型在國內(nèi)也有幾個使用的版本，在圖形學(xué)理論方面也取得了令人矚目的成績。（3）與計算機(jī)圖形學(xué)有關(guān)的學(xué)術(shù)活動在我國也很活躍。在計算機(jī)學(xué)會、工程圖學(xué)學(xué)會、自動化學(xué)會、電子學(xué)會等國家一級學(xué)會下面都設(shè)有與計算機(jī)圖形學(xué)相關(guān)的二級分會，并定期舉辦全國的學(xué)術(shù)活動。與計算機(jī)圖形學(xué)有關(guān)的學(xué)術(shù)刊物有“計算機(jī)輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報”、“工程圖學(xué)學(xué)報”、“計算機(jī)輔助工程”、“計算機(jī)集成制造系統(tǒng)”等。計算機(jī)圖形學(xué)在我國的發(fā)展但是，我們應(yīng)當(dāng)清醒地認(rèn)識到國內(nèi)的研究和應(yīng)用水平與國際上發(fā)達(dá)國家相比還相差甚遠(yuǎn)，其主要原因是我國缺乏大量這方面高水平的人才，精通計算機(jī)圖形學(xué)的工程技術(shù)人員不夠，因而影響了計算機(jī)圖形學(xué)這門學(xué)科在我國的推廣應(yīng)用。要使計算機(jī)圖形學(xué)在我國國民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮應(yīng)有的作用，培養(yǎng)計算機(jī)圖形學(xué)的研究、設(shè)計和應(yīng)用等多方面的人才是關(guān)鍵。1．3計算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用計算機(jī)輔助設(shè)計與制造（CAD/CAM）用戶界面科學(xué)計算的可視化工業(yè)模擬、控制和仿真計算機(jī)動畫、廣告和影視藝術(shù)地形地貌和自然資源的圖形顯示辦公自動化和電子出版系統(tǒng)計算機(jī)輔助教學(xué)和Web網(wǎng)頁1．4計算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展動向計算機(jī)圖形學(xué)是通過算法和程序在顯示器上構(gòu)造出圖形的一種技術(shù)，其中有三個關(guān)鍵的技術(shù)，即實體造型技術(shù)、真實圖形的生成技術(shù)和人-機(jī)交互技術(shù)，這三種技術(shù)也是今后計算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展趨勢。

1．5小結(jié)計算機(jī)圖形學(xué)作為圖形顯示和處理的一門學(xué)科，具有很深的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)和實用方法和技術(shù)。可以這樣說，數(shù)學(xué)能夠培養(yǎng)邏輯思維和空間想象能力，它將現(xiàn)實世界中的物體邏輯化和符號化，如圓形表示成X2+Y2=R2的形式。而計算機(jī)圖形學(xué)則正好相反，它是利用計算機(jī)將物體的數(shù)學(xué)表示以圖形的方式在計算機(jī)屏幕上顯現(xiàn)出來。計算機(jī)圖形學(xué)的基礎(chǔ)是數(shù)學(xué)，任何圖形的顯示都必須首先構(gòu)造出數(shù)學(xué)模型，然后再通過算法程序?qū)崿F(xiàn)圖形的顯示和處理。另一方面，為了在計算機(jī)上顯示和處理復(fù)雜的圖形，要